作者 | 穹宇逐光

出品 | 聚翼無(wú)人機(jī)

1第一部分

基礎(chǔ)概念

飛控是什么？

多旋翼飛行控制器（Flight Controller, FC），是無(wú)人駕駛航空器（UAV）的核心組件之一。它充當(dāng)無(wú)人機(jī)的“大腦”，負(fù)責(zé)處理來(lái)自各種傳感器的數(shù)據(jù)，并據(jù)此作出決策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)控制、導(dǎo)航以及任務(wù)執(zhí)行等功能。通過(guò)編程和算法優(yōu)化，飛行控制器能夠賦予無(wú)人機(jī)一定程度上的自主飛行能力，使其能夠在沒(méi)有人類直接干預(yù)的情況下完成特定任務(wù)。

組成部件

飛行控制器通常由以下幾個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成：

● 傳感器：包括GPS模塊、慣性測(cè)量單元（IMU）、氣壓計(jì)等。這些設(shè)備用于感知無(wú)人機(jī)的位置、速度、高度及姿態(tài)等信息。

● 處理器：作為飛行控制器的大腦，處理器接收并處理來(lái)自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，運(yùn)行必要的控制算法，并輸出控制指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（ESC）和其他外設(shè)。

● 接口電路：提供與其他硬件組件連接的橋梁，例如接收機(jī)、電源管理模塊、外部存儲(chǔ)器等。

F405 V3飛控

各部分之間緊密協(xié)作，共同確保了飛行控制器能準(zhǔn)確地獲取環(huán)境信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則或?qū)崟r(shí)情況調(diào)整無(wú)人機(jī)的行為。

例如，IMU會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)機(jī)體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而GPS則為定位提供支持；處理器將這兩者提供的數(shù)據(jù)結(jié)合，再運(yùn)用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)保持穩(wěn)定飛行或按計(jì)劃航線行駛。

2第二部分

工作原理

感知層面

在感知層面上，飛行控制器主要依賴于多種類型的傳感器來(lái)捕捉周圍環(huán)境的信息。

GPS可以提供精確的地理位置坐標(biāo)，幫助確定無(wú)人機(jī)所處位置；IMU內(nèi)的加速度計(jì)和陀螺儀可檢測(cè)到機(jī)體的加速變化和旋轉(zhuǎn)角度，從而判斷其當(dāng)前姿態(tài)；氣壓計(jì)用來(lái)估算海拔高度。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和可靠性，飛行控制器還會(huì)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，如卡爾曼濾波器（Kalman Filter），將不同來(lái)源的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，消除噪聲干擾，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。此外，針對(duì)可能存在的誤差問(wèn)題，也會(huì)實(shí)施校正措施，比如溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)漂移修正等。

控制層面

一旦獲得了足夠可靠的狀態(tài)信息，接下來(lái)就是如何有效地利用這些信息來(lái)進(jìn)行控制了。

這一步驟涉及到選擇合適的控制算法，其中最常見(jiàn)的是PID（比例-積分-微分）控制器和LQR（線性二次型調(diào)節(jié)器）。PID控制器基于誤差反饋機(jī)制，通過(guò)對(duì)誤差的比例、積分和微分三個(gè)分量加權(quán)求和，產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂?a target="_blank">信號(hào)，使系統(tǒng)輸出盡可能接近期望值。相比之下，LQR則更加復(fù)雜，它考慮到了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在最小化性能指標(biāo)的同時(shí)，尋求最優(yōu)解。無(wú)論采用哪種方法，最終目的都是讓無(wú)人機(jī)按照預(yù)定的方式行動(dòng)，無(wú)論是懸停不動(dòng)還是沿著指定路徑前進(jìn)。

決策層面

對(duì)于高級(jí)應(yīng)用而言，僅僅做到精準(zhǔn)控制還不夠，還需要具備良好的任務(wù)規(guī)劃能力和應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況的能力。

這意味著飛行控制器需要有能力規(guī)劃出合理的飛行路線，并且在遇到障礙物或者失去通信聯(lián)系時(shí)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧＠纾趫?zhí)行攝影任務(wù)時(shí)，它可以計(jì)算出最佳拍攝角度和時(shí)機(jī)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)電池電量不足時(shí)，則自動(dòng)返回起降點(diǎn)降落。同時(shí)，為了保證安全性，還應(yīng)該設(shè)置一系列應(yīng)急預(yù)案，如一鍵返航、自動(dòng)避障等。

3第三部分

軟件平臺(tái)

開(kāi)源項(xiàng)目

隨著開(kāi)源文化的興起，越來(lái)越多的人參與到飛行控制器的研究和發(fā)展中來(lái)。

一些知名的開(kāi)源飛行控制器項(xiàng)目包括：

● ArduPilot：適用于固定翼、直升機(jī)、多旋翼等多種類型無(wú)人機(jī)的開(kāi)源飛控系統(tǒng)。它具有強(qiáng)大的功能集和活躍的社區(qū)支持。

● PX4：另一個(gè)廣泛使用的開(kāi)源飛控平臺(tái)，專注于高性能和高可靠性。它的代碼庫(kù)維護(hù)良好，文檔詳盡，適合學(xué)術(shù)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)。

● Betaflight：主要用于競(jìng)速類FPV（第一人稱視角）無(wú)人機(jī)的飛控固件，強(qiáng)調(diào)快速響應(yīng)和靈活配置。

盡管上述項(xiàng)目各有特色，但它們都致力于降低進(jìn)入門檻，鼓勵(lì)更多愛(ài)好者加入到無(wú)人機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐中去。

如果對(duì)開(kāi)源項(xiàng)目的內(nèi)容感興趣的話，記得在評(píng)論區(qū)告訴我們哦，直接安排走起！